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(大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005)

隨著全球海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，對具有動力定位能力的船舶和海工裝備的需求越來越大，3級動力定位(class 3 dynamic positioning, DP3)作為自動化程度和可靠性最高等級的動力定位系統(tǒng)，已經(jīng)成為半潛式鉆井平臺、鉆井船、重吊船、鋪管船等大型特種船舶和海工裝備的主流配置。根據(jù)國際海事組織和各船級社要求，DP3船舶在任何動態(tài)或靜態(tài)元件發(fā)生單點故障，包括某個艙室發(fā)生火災(zāi)或浸沒事故時仍具有保持定位的能力[1]。為了滿足上述要求，DP3船舶動力定位系統(tǒng)的發(fā)電機、配電盤、控制器等動態(tài)元件需冗余配置，并劃分冗余組別，同時靜態(tài)元件——電纜也需要按照相應(yīng)冗余組別分開敷設(shè)，不同組別之間至少采用一層A60級防火分隔，而且最終設(shè)計成果需要通過動力定位系統(tǒng)的故障模式及影響分析[2]。由于動力定位系統(tǒng)電纜數(shù)量多、類型多樣、路徑復(fù)雜，如何確保不同冗余組別的電纜有效分隔，是船舶設(shè)計的重點和難點。雖然目前國內(nèi)船廠已經(jīng)建造了一些DP3船舶和海工裝備，但是對動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計過程控制方法并沒有開展系統(tǒng)性研究。DP3船舶設(shè)計過程中通常僅依靠設(shè)計人員自身約束和定期抽查的方式來確保動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計正確，然而實際效果并不是很好，在故障模式及影響分析和驗證階段經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)電纜沒有正確分隔的設(shè)計錯誤，從而導致現(xiàn)場修改。文中根據(jù)多型DP3實船設(shè)計經(jīng)驗，探討、分析動力定位系統(tǒng)電纜路徑的設(shè)計標準、電纜分類、設(shè)計流程、設(shè)計方法等要點，并歸納總結(jié)出一種通用的動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計過程控制方法，以保證電纜路徑設(shè)計正確，避免現(xiàn)場修改，對提高設(shè)計質(zhì)量、降低修改損耗起到積極作用。

1 規(guī)范規(guī)則

動力定位是通過推進器推力能夠自動地保持船舶位置(固定位置或預(yù)設(shè)航跡)的技術(shù)，動力定位系統(tǒng)則是指動力定位船舶所需要裝備的全部設(shè)備，包括電力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)自動化程度和設(shè)備冗余度，國際海事組織將動力定位系統(tǒng)分為1～3三個等級，某些船級社在此基礎(chǔ)上又增加0級，具體定義如下。

1)0級。船舶裝備了一套集中手動船位控制系統(tǒng)和自動艏向控制系統(tǒng)，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，保持船舶的位置和艏向。

2)1級。安裝有動力定位系統(tǒng)的船舶，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，自動保持船舶的位置和艏向，同時還應(yīng)設(shè)有獨立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)。

3)2級。安裝有動力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單個故障(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向。

4)3級。安裝有動力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單個故障(包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向[3]。

對于3級動力定位系統(tǒng)，所有部件包括電纜布線和管路應(yīng)冗余設(shè)置，并進行A60級防火隔離[4]，此項要求是DP3船舶動力定位系統(tǒng)電纜路徑的設(shè)計依據(jù)，也是故障模式及影響分析的重點。而對于0級、1級和2級動力定位系統(tǒng)則沒有此項要求，因此這三個級別動力定位系統(tǒng)的電纜路徑設(shè)計方法與普通船舶和海工裝備相同[5]。

2 電纜分類

動力定位系統(tǒng)包括若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)的架構(gòu)、組成和功能各不相同，為了正確分隔電纜，實現(xiàn)動力定位系統(tǒng)的完全冗余，需對動力定位系統(tǒng)的電纜類別進行分類，以便于開展有針對性的路徑設(shè)計和過程控制。根據(jù)系統(tǒng)功能和設(shè)備冗余配置情況，DP3船舶動力定位系統(tǒng)電纜應(yīng)分為DP動力電纜、DP網(wǎng)絡(luò)電纜和DP控制電纜三個類別，具體定義如下。

1)DP動力電纜。從發(fā)電機經(jīng)配電盤終到推進器，以及發(fā)電機柴油機輔助輪機設(shè)備和通風設(shè)備的電源電纜及相關(guān)控制電纜，通常分為2～4個冗余組別。該類別電纜為推進器傳輸電力和控制信號，實現(xiàn)推進器運行。

2)DP網(wǎng)絡(luò)電纜。動力定位控制系統(tǒng)的主干以太網(wǎng)電纜，通常與自動化系統(tǒng)共享網(wǎng)絡(luò)，分為A和B兩個冗余回路/組別。該類別電纜3)為DP控制器與工作站和現(xiàn)場控制基站之間傳輸命令和反饋信號[6]。

DP控制電纜。動力定位控制系統(tǒng)除了主干以太網(wǎng)電纜外的控制電纜和串行通信電纜，分為主動力定位控制系統(tǒng)和備用動力定位控制系統(tǒng)兩個冗余組別。該類別電纜為DP控制器與傳感器和位置參考系統(tǒng)之間傳輸船舶位置和狀態(tài)反饋信號[7]。

每個類別的動力定位系統(tǒng)電纜都具有各自的冗余組別，同類別的不同冗余組別的電纜需采用A60級防火分隔，不同類別的電纜之間則沒有分隔要求，電纜路徑設(shè)計和過程控制都將以此為基礎(chǔ)開展。

3 詳細設(shè)計

詳細設(shè)計是船舶和海工裝備在船廠的第一個設(shè)計階段，詳細設(shè)計應(yīng)規(guī)劃設(shè)計動力定位系統(tǒng)電纜主要路徑，供船東和船級社審核，并指導下個階段的生產(chǎn)設(shè)計工作。為了使生產(chǎn)設(shè)計人員準確理解動力定位系統(tǒng)電纜分類并正確設(shè)計相關(guān)電纜托架，詳細設(shè)計需要通過設(shè)計《動力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖》和增加詳細設(shè)計圖紙中動力定位系統(tǒng)電纜標示兩種方法為生產(chǎn)設(shè)計提供清晰、準確的設(shè)計輸入。

3.1 動力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖

《動力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖》是針對貫穿一層或一層以上甲板，以及穿過A60級防火艙壁和水密艙壁的多根成束敷設(shè)的動力定位系統(tǒng)電纜，用于表示連續(xù)貫通全船各層甲板水平面和垂直面的主干電纜路徑的圖樣。DP動力電纜、DP網(wǎng)絡(luò)電纜和DP控制電纜的主干電纜路徑布置可以合并到一份圖樣中，也可以單獨出圖。布置圖中每個組別的DP動力電纜、DP網(wǎng)絡(luò)電纜和DP控制電纜分別使用一種唯一的顏色或線型來表示主干電纜路徑，同一個類別內(nèi)不同冗余組別的動力定位系統(tǒng)電纜應(yīng)采用A60級防火隔離和水密分隔，為此與動力定位系統(tǒng)電纜有關(guān)的主要設(shè)備以及防火分隔和水密分隔界線也需要在布置圖中清晰注明，以使得生產(chǎn)設(shè)計人員可以準確掌握主干電纜的走向和不同組別電纜之間的分隔界面。在DP電纜經(jīng)過的全部甲板電纜貫通件節(jié)點處需注明電纜的起始設(shè)備和終端設(shè)備，而且最好在電纜路徑布置圖中體現(xiàn)出DP設(shè)備的準確布置，這將有助于生產(chǎn)設(shè)計人員和審圖人員正確理解DP電纜路徑的設(shè)計目的和用途。

某半潛式鉆井平臺上船體雙層底區(qū)域的DP動力電纜的主干電纜路徑布置圖見圖1，從該圖中可以得知DP動力電纜分為4個冗余組別，每個組別之間均采用A60級艙壁進行隔離，每個組別的電纜都定義了唯一的路徑。

3.2 增加動力定位系統(tǒng)電纜標示

《動力定位系統(tǒng)主干電纜路徑布置圖》僅規(guī)定了主干電纜的路徑，為了識別每根電纜的具體類別，則需要在動力定位系統(tǒng)圖中每根電纜線號下面增加電纜標示。布置圖和電纜標示一起組成了完整的設(shè)計輸入，生產(chǎn)設(shè)計人員據(jù)此可以設(shè)計出每一根動力定位系統(tǒng)電纜的詳細路徑。各類別動力定位系統(tǒng)電纜標示見表1，增加電纜標示后的電氣系統(tǒng)圖見圖2。

電纜類別標示DP動力電纜DP分組1/2/3/4DP網(wǎng)絡(luò)電纜DP網(wǎng)絡(luò)A/BDP控制電纜主DP/備用DP

4 生產(chǎn)設(shè)計

生產(chǎn)設(shè)計人員根據(jù)詳細設(shè)計輸入開展電纜托架建模、設(shè)繪電纜托盤表和綜合線路布置圖等設(shè)計工作，由于動力定位系統(tǒng)電纜數(shù)量多、路徑復(fù)雜，很多電纜都是全船主干電纜，會經(jīng)過很多個艙室，涉及多個生產(chǎn)設(shè)計人員，如何保證不同冗余組別的動力定位系統(tǒng)電纜路徑正確分隔，是生產(chǎn)設(shè)計階段的難點。為此需要對生產(chǎn)設(shè)計進行過程控制，發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤后及時改正。

4.1 矩陣表格監(jiān)控

采用矩陣表格監(jiān)控前，需要定義每個冗余組別動力定位系統(tǒng)電纜的顏色，每個組別的顏色各不相同，以便于識別區(qū)分。為了方便下一階段的電纜托架模型校核，這些顏色選自船舶三維設(shè)計軟件Tribon M3的顏色庫，顏色定義示例見表2。設(shè)計人員也可以根據(jù)自身設(shè)計習慣選擇顏色，但不要選擇船體結(jié)構(gòu)、管線、風管常用的模型顏色，以避免混淆。

表2 動力定位系統(tǒng)電纜顏色定義

矩陣表格第一列為各組別動力定位系統(tǒng)電纜名稱，第一行為動力定位系統(tǒng)電纜經(jīng)過的所有艙室名稱或編號。生產(chǎn)設(shè)計人員在矩陣表格中使用上文定義的顏色，按照實際建模設(shè)計情況標記出各自設(shè)計范圍內(nèi)動力定位系統(tǒng)電纜實際路徑。根據(jù)規(guī)范規(guī)則要求，DP3船舶的不同組別的動力定位系統(tǒng)電纜不應(yīng)經(jīng)過同一個艙室，為此矩陣表格中每個艙室列內(nèi)對于同一類別動力定位系統(tǒng)電纜只應(yīng)該出現(xiàn)一種顏色，如果出現(xiàn)兩種或以上顏色，則說明某個組別的電纜路徑設(shè)計錯誤，需要查明原因，及時改正。該矩陣表格應(yīng)隨著設(shè)計進度定期更新、檢查，并由專人牽頭匯總分析，以實現(xiàn)對動力定位系統(tǒng)電纜路徑的過程控制。

4.2 電纜托架模型校核

矩陣表格監(jiān)控的方法雖然細致全面，但是略顯繁瑣，為了簡便檢查動力定位系統(tǒng)電纜是否有效分隔，電纜路徑是否正確，可以采用電纜托架模型校核的方法。該方法需要設(shè)計人員按照上文定義的顏色在三維設(shè)計軟件中為敷設(shè)了動力定位系統(tǒng)電纜的電纜托架建模。生產(chǎn)設(shè)計人員如果在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)不同顏色的同一類別動力定位系統(tǒng)電纜托架出現(xiàn)在同一個艙室，或者電纜托架位于沒有A60級防火分隔的相鄰艙室，則說明動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計出現(xiàn)錯誤，需要查明原因，及時改正。某半潛式鉆井平臺動力定位系統(tǒng)電纜托架模型見圖3。

4.3 設(shè)計評審

通過矩陣表格監(jiān)控和電纜托架模型校核兩種方法，已經(jīng)可以實現(xiàn)對動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計正確性的有效控制。但實際上，DP3船舶的動力定位系統(tǒng)分隔并不是僅針對電纜，為了保證整個動力定位系統(tǒng)的可靠性，DP動力電纜與發(fā)電機相關(guān)的管線和風管也需要按照動力定位冗余組別劃分進行分隔[8]。如圖4舉例所示，DP分組2的動力電纜與DP分組3的發(fā)電機滑油管線出現(xiàn)交叉，如果交叉點發(fā)生火災(zāi)，這種共因故障則會導致DP分組2和DP分組3內(nèi)的設(shè)備同時失效，影響船舶的定位能力[9]。為此需要通過電氣、輪機、通風等動力定位系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)開展三維模型綜合設(shè)計評審，以驗證各冗余組別內(nèi)的電纜托架、管線、風道是否正確分隔，從而確保電纜路徑設(shè)計正確。

4.4 生產(chǎn)設(shè)計圖紙設(shè)繪

經(jīng)過上述控制方法，可以基本保證動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計的正確性，如何將這些設(shè)計信息清晰有效地傳遞給施工部門，有兩點需要注意。①動力定位系統(tǒng)電纜應(yīng)該單獨編制一本電纜托盤表，每根電纜需設(shè)計足夠電纜節(jié)點，確保電纜路徑唯一，而且應(yīng)注明每根電纜在動力定位系統(tǒng)中的類別和組別；②按照表2定義的顏色，在電氣舾裝件圖紙中標記經(jīng)過動力定位系統(tǒng)電纜的貫通件顏色，如果一個貫通件經(jīng)過了多個類別的電纜，則同時標記多個顏色。施工部門將按圖紙采用粉刷油漆、粘貼標牌等方法標記出船舶上電纜貫通件顏色，這將便于施工部門準確敷設(shè)電纜，以及船東和船級社的現(xiàn)場檢驗。

綜上所述，生產(chǎn)設(shè)計才是動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計過程控制的重點階段，這種設(shè)計控制需要經(jīng)過矩陣表格監(jiān)控、電纜托架模型校核、設(shè)計評審等一系列環(huán)節(jié)，從而形成一個完整的設(shè)計過程控制方法。動力定位系統(tǒng)電纜設(shè)計和控制的流程見圖5。

5 結(jié)論

正確的設(shè)計圖紙是船舶和海工項目建造的基礎(chǔ)，對于DP3船舶和海工裝備此類大型、復(fù)雜的工程項目，如何保證動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計的正確性，一直都是各設(shè)計公司和船廠追求的目標。根據(jù)實船項目設(shè)計經(jīng)驗，按照設(shè)計流程對動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計方法及其過程控制方法進行了探討、分析，并創(chuàng)新性地歸納出通用設(shè)計方法。這些方法可以廣泛應(yīng)用到各種DP3船舶和海工裝備的設(shè)計過程中，對提高動力定位系統(tǒng)電低修改損耗具有積極意義。當前，“智能設(shè)計”是船舶及海工項目設(shè)計工作的發(fā)展方向，如何實現(xiàn)自動、智能地控制動力定位系統(tǒng)電纜路徑設(shè)計，仍需要進一步深入研究。